Fra BYD's bladbatteri, til Honeycomb Energy's koboltfrie batteri og derefter til natrium-ion-batteriet fra CATL-æraen, har strømbatteriindustrien oplevet kontinuerlig innovation.23. september 2020 - Tesla Battery Day, Teslas CEO Elon Musk viste verden et nyt batteri – 4680-batteriet.
Tidligere var størrelserne af cylindriske lithiumbatterier hovedsageligt 18650 og 21700, og 21700 havde 50% mere energi end 18650.4680-batteriet har fem gange så meget cellekapacitet som 21700-batteriet, og det nye batteri kan reducere omkostningerne pr. kilowatt-time med omkring 14 % og øge krydstogtsområdet med 16 %.
Musk udtalte ligeud, at dette batteri vil gøre en elbil på $25.000 mulig.
Så hvor kom dette truende batteri fra?Dernæst analyserer vi dem én efter én.
1. Hvad er et 4680 batteri?
Teslas måde at navngive strømbatterier på er meget enkel og ligetil.4680-batteriet er, som navnet antyder, et cylindrisk batteri med en enkeltcellediameter på 46 mm og en højde på 80 mm.
Tre forskellige størrelser af lithium-ion cylindriske batterier
Som det kan ses på billedet, sammenlignet med Teslas originale 18650 batteri og 21700 batteri, ligner 4680 batteriet en høj og stærk mand.
Men 4680-batteriet er ikke bare en størrelsesændring, Tesla har indarbejdet en masse ny teknologi for at forbedre ydeevnen.
For det andet, den nye teknologi af 4680 batteri
1. Elektrodeløst øredesign
Intuitivt er den største følelse ved 4680, at den er større.Så hvorfor gjorde andre producenter ikke batteriet større før i tiden.Det skyldes, at jo større volumen og jo højere energi, er varmen sværere at kontrollere, og jo større sikkerhedstrussel fra afbrænding og eksplosion.
Tesla har tilsyneladende også taget dette i betragtning.
Sammenlignet med det tidligere cylindriske batteri er den største strukturelle nyskabelse ved 4680-batteriet den elektrodeløse luge, også kendt som den fulde lug.I et traditionelt cylindrisk batteri stables de positive og negative kobberfolier og aluminiumsfolieseparatoren og vikles.For at trække elektroderne ud, svejses en blytråd kaldet fanen til de to ender af kobberfolien og aluminiumsfolien.
Viklelængden af et traditionelt 1860 batteri er 800 mm.Tager man kobberfolien med bedre ledningsevne som et eksempel, er længden af fligene til at føre elektriciteten ud af kobberfolien 800 mm, hvilket svarer til strømmen, der passerer gennem den 800 mm lange ledning.
Ved beregning er modstanden omkring 20mΩ, viklingslængden af 2170-batteriet er omkring 1000mm, og modstanden er omkring 23mΩ.Det kan nemt konverteres, at filmen af samme tykkelse skal rulles ind i et 4680 batteri, og viklingslængden er omkring 3800 mm.
Der er mange ulemper ved at øge viklingslængden.Elektronerne skal rejse en længere afstand for at nå fligene i begge ender af batteriet, modstanden vil stige, og batteriet vil være mere udsat for varme.Batteriets ydeevne vil forringes og endda skabe sikkerhedsproblemer.For at forkorte den afstand, som elektronerne tilbagelægger, bruger 4680-batteriet elektrodeløs øreteknologi.
Den elektrodeløse flig har ikke nogen faner, men forvandler hele strømaftageren til en flig, den ledende bane afhænger ikke længere af tappen, og strømmen overføres fra den laterale transmission langs fligen til kollektorpladen til den langsgående transmission af den nuværende samler.
Hele den ledende længde er ændret fra 800 til 1000 mm af 1860 eller 2170 kobberfolielængde til 80 mm (batterihøjde).Modstanden reduceres til 2mΩ, og det interne modstandsforbrug reduceres fra 2W til 0,2W, som direkte reduceres med en størrelsesorden.
Dette design reducerer i høj grad batteriets impedans og løser opvarmningsproblemet for det cylindriske batteri.
På den ene side øger den elektrodeløse øreteknologi strømledningsområdet, forkorter strømledningsafstanden og reducerer batteriets indre modstand kraftigt;reduktionen af den interne modstand kan reducere det nuværende offset-fænomen og forlænge batteriets levetid;reduktionen af modstanden kan også reducere varmeudviklingen, og den elektrodeledende belægning. Det effektive kontaktareal mellem laget og batteriets endedæksel kan nå 100%, hvilket kan forbedre varmeafledningskapaciteten.
4680-batteriet anvender en ny type elektrodeløs øreteknologi med hensyn til cellestruktur, som kan reducere omkostningerne og øge effektiviteten.På den anden side udelades svejseprocessen af tappene, produktionseffektiviteten forbedres, og defektraten forårsaget af svejsning kan reduceres på samme tid.
Skematisk diagram af monopol og fuld-pol struktur
2. Kombineret med CTC-teknologi
Generelt gælder det, at jo større batteristørrelsen er, jo færre batterier skal der installeres i det samme køretøj.Med 18650 celler har en Tesla brug for 7100 celler.Bruger du 4680 batterier, skal du kun bruge 900 batterier.
Jo færre batterier, jo hurtigere kan de samles, jo højere effektivitet, jo mindre chance for problemer i mellemleddene, og jo billigere er prisen.Ifølge Tesla kan den store 4680 reducere produktionsprisen på batterier med 14 %.
For at forbedre batteripakkens energitæthed vil 4680-batteriet blive kombineret med CTC (Cell to Chassis) teknologi.Det er for at integrere battericellerne direkte i chassiset.Ved helt at fjerne modulerne og batteripakkerne bliver battericellerne mere kompakte, antallet af batteridele reduceres kraftigt, og pladsudnyttelsen af chassiset vil også blive væsentligt forbedret.
CTC har visse krav til batteriets strukturelle styrke.Selve batteriet skal bære en masse mekanisk styrke.Sammenlignet med 18650 og 2170 batterierne har 4680 enkeltbatteriet en større strukturel styrke og højere strukturel styrke, og det generelle firkantede batteri er en aluminiumsskal.4680-skallen er lavet af rustfrit stål, og den iboende strukturelle styrke er garanteret.
Sammenlignet med det firkantede batteri vil layoutet af det cylindriske batteri være mere fleksibelt, kan tilpasse sig en række forskellige chassis og kan bedre kombineres med stedet.
Ifølge forskningen og vurderingen fra "EMF" er CTC-teknologien bæreren for nye energikøretøjer i 2022, og den er også en gaffel i vejen.
Integreringen af batteriet i kroppen kan gøre vedligeholdelsen af køretøjet ekstremt kompliceret, og batteriet er svært at udskifte uafhængigt.Priserne på eftersalgsservice vil stige, og disse omkostninger vil blive væltet direkte over på forbrugerne, såsom forsikringsomkostninger.Selvom Musk hævder, at de har designet reparationsskinner, der kan skæres og udskiftes, vil det tage tid at se, hvor godt det vil fungere.
Mange bilfirmaer har foreslået deres egne CTC tekniske løsninger, fordi det ikke kun omarrangerer batteriet, men også skal ændre karrosseristrukturen.Dette er relateret til omfordelingen af arbejdskraft i forsyningskæden af relaterede industrier.
CTC er blot en teknisk rute.Det er et batterihus integreret, uændret demontering.Der er en anden teknologi over for det – batteribytning.Batteribytteteknologien er nem at skille ad, men batteriet yder et stort bidrag til batteristyrken.Hvordan man vælger disse to ruter er et spil mellem batterileverandører og OEM'er.
CTC teknologi kombineret med 4680 batteri
3. Innovation i batteriproduktionsproces, katode- og anodematerialer
Tesla vil bruge tørbatterielektrodeprocessen, i stedet for at bruge et opløsningsmiddel, blandes en lille mængde (ca. 5-8%) af et fint pulveriseret PTFE-bindemiddel med positivt/negativt elektrodepulver, ledes gennem en ekstruder for at danne en tynd strimmel af elektrodemateriale, og derefter blev en strimmel af elektrodemateriale lamineret til en metalfoliestrømsamler for at danne den færdige elektrode.
Batteriet produceret på denne måde er mere miljøvenligt.Og denne proces vil øge batteriets energitæthed og reducere energiforbruget i produktionen med 10 gange.Tørelektrodeteknologi vil sandsynligvis blive det teknologiske benchmark for næste generation.
Tesla 4680 batteri tørelektrodeteknologi
Med hensyn til katodematerialer sagde Tesla, at det også vil fjerne koboltelementet i katoden.Kobolt er dyrt og sparsomt.Det kan kun udvindes i meget få lande i verden, eller i ustabile afrikanske lande som Congo.Hvis batteriet virkelig kan fjerne koboltelementet, kan det siges at være en stor teknologisk innovation.
Kobolt
Med hensyn til anodematerialer vil Tesla starte med siliciummaterialer og bruge mere silicium til at erstatte den grafit, der i øjeblikket bruges.Den teoretiske specifikke kapacitet af den siliciumbaserede negative elektrode er så høj som 4200mAh/g, hvilket er ti gange højere end den negative grafitelektrodes.Siliciumbaserede negative elektroder har dog også problemer såsom let volumenudvidelse af silicium, dårlig elektrisk ledningsevne og stort initial ladnings-afladningstab.
Derfor er ydelsesforbedringen af materialer faktisk at finde en balance mellem energitæthed og stabilitet, og de nuværende siliciumbaserede anodeprodukter er doteret med silicium og grafit til kompositbrug.
Tesla planlægger fundamentalt at ændre formbarheden af siliciumoverfladen for at gøre den mindre tilbøjelig til at gå i stykker, en teknologi, der ikke kun tillader batterier at oplade hurtigere, men også øger batterilevetiden med 20 procent.Tesla navngav det nye materiale "Tesla Silicon", og prisen er $1,2/KWh, hvilket kun er en tiendedel af den eksisterende strukturerede siliciumproces.
Siliciumbaserede anoder betragtes som den næste generation af lithiumbatterianodematerialer.
Nogle få modeller på markedet er begyndt at bruge siliciumbaserede anodematerialer.Modeller som Tesla Model 3 inkorporerer allerede små mængder silicium i den negative elektrode.For nylig blev GAC AION LX Plus-modellen lanceret.Qianli-versionen er udstyret med svampe silicium anode chip batteriteknologi, som kan opnå 1.000 kilometers batterilevetid.
4680 batteri silicium anode
For at opsummere fordelene ved 4680 batteriteknologi er, at den kan forbedre ydeevnen og samtidig reducere omkostningerne.
3. Den vidtrækkende virkning af 4680-batterier
4680-batteriet er ikke en undergravende teknologisk revolution, ikke et gennembrud i energitæthed, men mere en innovation inden for procesteknologi.
Men drevet af Tesla vil produktionen af 4680 batterier for det nuværende mønster på det nye energimarked ændre det eksisterende batterimønster.Industrien vil uundgåeligt sætte gang i en bølge af store cylindriske batterier.
Ifølge rapporter planlægger Panasonic at starte masseproduktion af 4680 batterier med stor kapacitet til Tesla i begyndelsen af 2023.Den nye investering vil være så høj som 80 milliarder yen (ca. US$704 millioner).Samsung SDI og LG Energy har også tilsluttet sig udviklingen af 4680-batteriet.
På hjemmemarkedet meddelte Yiwei Lithium Energy, at dets datterselskab Yiwei Power planlægger at bygge en 20GWh stor cylindrisk batteriproduktionslinje til personbiler i Jingmen High-tech Zone.BAK Battery and Honeycomb Energy vil også komme ind på området for store cylindriske batterier.BMW og CATL anvender også aktivt store cylindriske batterier, og grundmønsteret er fastlagt.
Batteriproducenters cylindriske batterilayout
For det fjerde har den elektromotoriske kraft noget at sige
Den strukturelle innovation af det store cylindriske batteri vil uden tvivl fremme udviklingen af strømbatteriindustrien.Det er ikke så simpelt som bare at opgradere fra 5. batteri til 1. batteri.Dens fede krop har store spørgsmål.
Prisen på batteriet er tæt på 40% af prisen på hele køretøjet.Betydningen af batteriet som "hjertet" er indlysende.Men med populariteten af nye energikøretøjer stiger efterspørgslen efter batterier dag for dag, og prisen på materialer stiger.Innovationen af batterier er blevet en vigtig måde for bilvirksomheder at udvikle sig på.
Med udviklingen af batterirelaterede teknologier er overkommelige elbiler lige rundt om hjørnet!
Indlægstid: 13-jun-2022